一种用于水下精准测量的遥控机器人制造技术

本发明专利技术提供的一种用于水下精准测量的遥控机器人，实现水下机器人不少于四个自由度的运动，具有定深悬停，直行，旋转，侧移能力，水下机器人能够与陆上控制设备保持良好的通信，电子元部件均做水密耐压保护，适合通过水下狭小区域，用于水下探测、水下测量作业。精准测量的水下机器人专门进行了路径规划，提高巡航和测量效率。利用多波束测深仪和双目精准测量仪协同开展水下测量，多波束测深技术实现了对水下探测目标的高精度和高密度测量，双目精准测量帮助水下机器人执行一些复杂的水下操作任务，两种测量方法协同完成高质量的水下精准测量。水下测量相对误差小，满足对水下目标抓取等水下机器人的操作要求。

A Remote Control Robot for Accurate Underwater Measurement

【技术实现步骤摘要】
一种用于水下精准测量的遥控机器人
本专利技术涉及一种遥控机器人，特别涉及一种用于水下精准测量的遥控机器人，属于遥控水下精准测量

技术介绍
遥控机器人技术是一种新兴的智能制造技术，受到广泛关注应用。水下遥控机器人是一种能够在水面以下几米甚至几十米深度进行遥控航行的机器人，具有自动航行、遥控导航、自主执行水下任务的能力。与无人机、无人车和无人船相比，它所处的任务环境更加复杂，电子元部件等任何非水密电子部件、机械部件和推进部件均须做水密和耐压保护，否则将发生渗水或漏水导致不能正常使用。水下机器人进行水下观测，其结构多采用框架式或者鱼雷型结构，尤其是水底地形、水流因素复杂的情况，对水下机器人的可操控性、稳定性和推进器利用率等提出了很高的要求，水下机器人低速机动性和可控性的好坏决定了它能否顺利完成特定的水下测量和定点悬停作业工作任务。水下测量是为开展河道清淤、航道疏浚、流域防洪规划、码头建设等工程提供所需基础数据的一项重要前期工作。多波束水下测深技术由于其低成本、高精度、高分辨率等优良特点受到青睐。但光在水下有独特的传播特性，对蓝绿光的衰减比其他短波长的光衰减要小得多。光波在水中会被吸收，也会发生散射，因此光波在水中的衰减相当快，且衰减程度和传播距离呈指数关系。光在不同水质的传播特性对成像品质有较大影响，在浑浊度低、照明度适中的环境下，视觉测量能够取得更高的精度，随着水下机器人技术的发展，越来越多的水下机器人不仅仅只局限于对水下环境进行简单的观测任务，水下机器人逐渐须要执行一些复杂的水下操作任务，如水下对接、水下测量、水下焊接、水下目标抓取等，这些任务的完成都需要双目视觉精准测量的辅助，因此，进一步研发多波束测深仪和双目精准测量仪协同工作的水下精准测量的遥控机器人十分必要。现有技术的水下测量工作主要存在以下问题：一是水下测量一般有测量船完成，测量船一般只在水面航行，运动不够灵活，不能实现水下自由运动，不具有定深悬停、直行、旋转、侧移能力，不能直接垂直方向运动，任意运动时无法保持自身稳定，无法完成诸多的水下精准测量工作，不能通过水下狭小区域，不适合用于水下探测、水下测量作业。二是即使使用机器人测量，但使用的机器人重量大，航行时间短，巡航测量范围小，一般不能完成任务，或者需要频繁的补给，水下精准测量实现起来比较困难，测量效率很低，操作繁琐难度很大，水下测量效果不尽如人意，机器人搭载的硬件和软件较为落后，水下机器人航行过程中抖动严重，采集图像的清晰图较差，更是降低了测量的准确性和可靠性。三是遥控机器人没有专门进行路径规划，没有将水下机器人系统与地理信息系统结合，导致机器人水下精准测量路径规划盲目性大，没有充分利用水下区域的地质地貌特征和地理信息数据，测量路径设计科学性系统性差，无法充分发挥遥控机器人的优势。四是没有发挥机器人的优势，自动化和智能技术应用不足，无法实现水下地形数据的获取，无法形成陆上控制系统，实现水下机器人的远程控制、水下地形数据的自动记录、水下地形测量的精度与参数等的设置、水下地形数据的处理与成图等，没有采用系统集成的理念，无法实现水下测量到数据处理的自动化。五是水下测量工具和方法较为落后，没有采用多波束测深仪和双目精准测量仪协同开展水下测量，无法实现了对水下探测目标的高精度和高密度测量，水下机器人无法执行一些复杂的水下操作任务，如水下对接、水下焊接、水下目标抓取等，水下测量相对误差大。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供的一种用于水下精准测量的遥控机器人，机身上安装四个双向推进器，推进器布置合理，能够利用控制算法实现水下助推器推力分配，实现水下机器人不少于四个自由度的运动，具有定深悬停，直行，旋转，侧移能力，水下机器人能够与陆上控制设备保持良好的通信，电子元部件均做水密耐压保护，适合通过水下狭小区域，用于水下探测、水下测量作业。精准测量的水下机器人专门进行了路径规划，提高巡航和测量效率。利用多波束测深仪和双目精准测量仪协同开展水下测量，实现水下地形数据的获取，利用计算机技术开发导航软件，形成陆上控制系统，实现水下机器人的远程控制、水下地形数据的自动记录、水下地形测量的精度与参数等的设置、水下地形数据的处理与成图等，采用系统集成的理念，构建水下机器人测量系统，实现水下测量到数据处理的自动化。多波束测深技术集成了现代空间测控技术、声呐技术、计算机技术、信息处理技术等一系列高新技术，实现了对水下探测目标的高精度和高密度测量。双目精准测量帮助水下机器人执行一些复杂的水下操作任务，如水下对接、水下焊接、水下目标抓取等，在成像模型、立体标定、测量模型等技术指标更优，两种测量方法协同完成高质量的水下精准测量。水下测量相对误差小，满足对水下目标抓取等水下机器人的操作要求。为达到以上技术效果，本专利技术所采用的技术方案如下：一种用于水下精准测量的遥控机器人，包括陆上控制系统和水下机器人，陆上控制系统包括便携式计算机、陆上通讯单元,水下机器人包括耐压仓、卫星定位装置、多波束测深仪、电子罗盘、动力装置、蓄电池、水下通讯装置、机器人主控装置、双目精准测量仪，耐压仓包括前舱，中间舱、尾舱，水下机器人的动力装置包括水下助推器和助推姿态器，水下助推器为双向助推器，包括调速器、防水电动机、整流罩、螺旋桨，调速器密封于防水电动机的内部，水下助推器和助推姿态器分别对应设置有四对，第一水下助推器通过助推姿态器设置在前舱的右侧，第二水下助推器通过助推姿态器设置在尾舱的右侧，第三水下助推器通过助推姿态器设置在前舱的左侧，第四水下助推器通过助推姿态器设置在尾舱的左侧，前舱和尾舱为圆弧形，同一侧前后方水下助推器的螺旋桨反向安装。一种用于水下精准测量的遥控机器人，进一步的，耐压仓由防水密封材料制成，卫星定位装置设置在耐压仓的上端前部，水下通讯装置设置在耐压仓的上端后部，双目精准测量仪设置在耐压仓的下端前部，探测声呐设置在耐压仓的下端后部，电子罗盘、蓄电池、机器人主控装置分别设置在耐压仓的内部，并保持耐压仓前后左右质量分布平衡，卫星定位装置采用GPS-RTK系统，陆上布设GPS微型基准站，水下机器人搭载GPS微型移动站，助推姿态器一端与耐压仓相连接，另一端与水下助推器相连接，助推姿态器调整水下助推器在的工作姿态。一种用于水下精准测量的遥控机器人，进一步的，完成水下测量任务的过程可分为七个阶段：步骤1，测量水域设置，实地观察水下测量区域的基本情况，包括测量水域的地理位置、面积大小、环境条件，向陆上控制系统的便携式计算机中配置和导入测量水域的基本信息；步骤2，测量路径规划，根据测量水域的地理位置、面积大小、环境条件和遥控机器人自身的硬件条件，规划水下测量路径，路径规划由陆上控制系统和水下机器人共同分析计算完成；步骤3，测量准备，根据确定的测量路径、测量水域环境、测量任务数量，进行陆上准备，检查蓄电池电量，检查各部件工况，将水下机器人放入测量水域，陆上控制系统通过无线电通讯让水下机器人启动准备程序，确定水下机器人初始位置，确定工作路径；步骤4，开始执行水下测量任务，水下机器人按照事先编好的程序及计算得到的路径，开始自主巡航，以到达任务目的地，水下机器人按照事先编好的任务程序，一般测量进入步骤5，使用多波束测深仪完成，高精度立体视觉测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于水下精准测量的遥控机器人，其特征在于：包括陆上控制系统(1)和水下机器人(2)，陆上控制系统(1)包括便携式计算机(11)、陆上通讯单元(12),水下机器人(2)包括耐压仓(21)、卫星定位装置(22)、多波束测深仪(23)、电子罗盘(24)、动力装置、蓄电池(25)、水下通讯装置(26)、机器人主控装置(27)、双目精准测量仪(28)，耐压仓(21)包括前舱(31)，中间舱(32)、尾舱(33)，水下机器人的动力装置包括水下助推器和助推姿态器(55)，水下助推器为双向助推器，包括调速器、防水电动机、整流罩、螺旋桨，调速器密封于防水电动机的内部，水下助推器和助推姿态器分别对应设置有四对，第一水下助推器(51)通过助推姿态器设置在前舱(31)的右侧，第二水下助推器(52)通过助推姿态器设置在尾舱(33)的右侧，第三水下助推器(53)通过助推姿态器设置在前舱(31)的左侧，第四水下助推器(54)通过助推姿态器设置在尾舱(33)的左侧，前舱(31)和尾舱(33)为圆弧形，同一侧前后方水下助推器的螺旋桨反向安装。

【技术特征摘要】
1.一种用于水下精准测量的遥控机器人，其特征在于：包括陆上控制系统(1)和水下机器人(2)，陆上控制系统(1)包括便携式计算机(11)、陆上通讯单元(12),水下机器人(2)包括耐压仓(21)、卫星定位装置(22)、多波束测深仪(23)、电子罗盘(24)、动力装置、蓄电池(25)、水下通讯装置(26)、机器人主控装置(27)、双目精准测量仪(28)，耐压仓(21)包括前舱(31)，中间舱(32)、尾舱(33)，水下机器人的动力装置包括水下助推器和助推姿态器(55)，水下助推器为双向助推器，包括调速器、防水电动机、整流罩、螺旋桨，调速器密封于防水电动机的内部，水下助推器和助推姿态器分别对应设置有四对，第一水下助推器(51)通过助推姿态器设置在前舱(31)的右侧，第二水下助推器(52)通过助推姿态器设置在尾舱(33)的右侧，第三水下助推器(53)通过助推姿态器设置在前舱(31)的左侧，第四水下助推器(54)通过助推姿态器设置在尾舱(33)的左侧，前舱(31)和尾舱(33)为圆弧形，同一侧前后方水下助推器的螺旋桨反向安装。2.根据权利要求1所述的一种用于水下精准测量的遥控机器人，其特征在于：耐压仓(21)由防水密封材料制成，卫星定位装置(22)设置在耐压仓(21)的上端前部，水下通讯装置(26)设置在耐压仓(21)的上端后部，双目精准测量仪(28)设置在耐压仓(21)的下端前部，探测声呐(23)设置在耐压仓(21)的下端后部，电子罗盘(24)、蓄电池(25)、机器人主控装置(27)分别设置在耐压仓(21)的内部，并保持耐压仓(21)前后左右质量分布平衡，卫星定位装置(22)采用GPS-RTK系统，陆上布设GPS微型基准站，水下机器人(2)搭载GPS微型移动站，助推姿态器(55)一端与耐压仓(21)相连接，另一端与水下助推器相连接，助推姿态器(55)调整水下助推器在的工作姿态。3.根据权利要求1所述的一种用于水下精准测量的遥控机器人，其特征在于：完成水下测量任务的过程可分为七个阶段：步骤1，测量水域设置，实地观察水下测量区域的基本情况，包括测量水域的地理位置、面积大小、环境条件，向陆上控制系统的便携式计算机中配置和导入测量水域的基本信息；步骤2，测量路径规划，根据测量水域的地理位置、面积大小、环境条件和遥控机器人自身的硬件条件，规划水下测量路径，路径规划由陆上控制系统和水下机器人共同分析计算完成；步骤3，测量准备，根据确定的测量路径、测量水域环境、测量任务数量，进行陆上准备，检查蓄电池电量，检查各部件工况，将水下机器人放入测量水域，陆上控制系统通过无线电通讯让水下机器人启动准备程序，确定水下机器人初始位置，确定工作路径；步骤4，开始执行水下测量任务，水下机器人按照事先编好的程序及计算得到的路径，开始自主巡航，以到达任务目的地，水下机器人按照事先编好的任务程序，一般测量进入步骤5，使用多波束测深仪完成，高精度立体视觉测量进入步骤6，使用双目精准测量仪完成；步骤5，多波束测深仪利用多波束回声信号测量，绘制水底地形和水深，利用多波束发射换能器阵列向水下发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对水下地形的照射脚印，测量沿航线一定宽度内水下目标的大小形状和高低变化，描绘出水下物体和地形的三维特征；步骤6，如果需要对目标进行高精度立体视觉测量，则使用双目精准测量仪完成；步骤7，任务完成后，水下机器人进入返航回收阶段，水下机器人在导航设备指引下，自主巡航到陆上控制系统附近水面回收，将水下机器人带上陆地，对水下机器人进行保养检查和更换电池，导出重要测量数据。4.根据权利要求1所述的一种用于水下精准测量的遥控机器人，其特征在于：双目精准测量仪(28)包括双目水下彩色高清相机、图像采集卡、LED水下补光灯、信号传输线缆、双目固定支架，双目精准测量方法包括水下图像的获取、双目相机的标定、原始图像预处理、畸变与平行校正、特征点匹配、生成视差图、三角精准测量，其中图像预处理步骤先后包括优化直方图均衡化和中值滤波处理两个过程，特征点匹配步骤先后包括优化尺度不变特征变换特征点提取和稀疏匹配搜索过滤两个过程。5.根据权利要求4所述的一种用于水下精准测量的遥控机器人，其特征在于：优化直方图均衡化采用图像阈值提取，将背景与目标物分割开来，对背景不做处理，对目标物做直方图均衡化，最后对背景和目标进行图像聚合.具体步骤为：第一步，计算整幅灰度图像的灰度阈值F，假设有灰度值范围H＝[0，G]，I＝[G+1，127]，J＝[128，254-G]，K＝[255-G，255]，G为某级灰度值，若F∈J则转到第二步，若F∈I则转到第三步,若F∈H∪K则转到第四步；第二步，对图像中灰度属于[F，255]部分的像素继续更新阈值F，循环执行第二步直到阈值F满足F∈K，转到第四步；第三步，对图像中灰度属于[0，F]部分的像素继续更新...

【专利技术属性】
技术研发人员：扆亮海，
申请(专利权)人：扆亮海，
类型：发明
国别省市：浙江,33